KR20040062840A - Ｂ-픽쳐 부호화를 위한 움직임 보상 모드 예측 방법 및 그장치 - Google Patents

Ｂ-픽쳐 부호화를 위한 움직임 보상 모드 예측 방법 및 그장치 Download PDF

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Abstract

순방향 및 역 방향 MC(Motion Compensation)만으로 최종 움직임 보상 모드를 결정할 수 있게 양방향 움직임 보상 모드를 예측하는 방법 및 그 장치가 개시되어 있다. 본 발명은 이전 프레임 및 현재 프레임을 비교하여 순방향 프레임 및 순방향 필드의 SAD를 생성하는 과정, 현재 프레임 및 다음 프레임을 비교하여 역방향 프레임 및 역방향 필드의 SAD를 생성하는 과정, 순방향 프레임/필드 SAD 및 역 방향 프레임/필드 SAD를 참조하여 양 방향 움직임 보상 모드를 결정하는 과정을 포함한다.

Description

Ｂ-픽쳐 부호화를 위한 움직임 보상 모드 예측 방법 및 그 장치{Method and apparatus for estimating motion compensating mode}
본 발명은 MPEG-2에서 영상 부호화 시스템에 관한 것이며, 특히 순방향 및 역 방향 MC(Motion Compensation)만으로 최종 움직임 보상 모드를 결정할 수 있게 양방향 움직임 보상 모드를 예측하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
MPEG-2 에는 I, B, P 세 가지 종류의 픽쳐가 있다. 이 중 B-picture는 움직임 보상 방법이 순방향 움직임 보상 (forward motion compensation: forward MC),역방향 움직임 보상 (backward motion compensation: backward MC), 그리고 양방향 움직임 보상(interpolative motion compensation: interpolative MC) 등이 있다. 이 움직임 보상 모드 결정 방식은 여러 가지가 있는데, 그 중 가장 보편적으로 사용되는 것이 움직임 추정을 통해 얻어진 SAD (Sum of Absolute Difference)를 비교하여 결정하는 방식이다.
도 1은 동영상 부호화 장치 중에서 움직임 모드 결정을 설명하기 위해 프레임 메모리와 움직임 추정부만을 도시한 블록도이다.
움직임 보상 모드를 결정하는 방식은 표준화되어 있지 않다. 그래서 보편적인 MPEG2 TM5에서 B-픽쳐의 MC 모드 결정 방식을 소개한다.
도 1을 참조하면, 순방향 프레임 ME/MC부(114), 순방향 탑필드 ME/MC부(116), 순방향 바텀 필드 ME/MC부(118)는 입력되는 이전 프레임(previous frame) 및 현재 프레임(current frame)을 통해 순방향 프레임 움직임 벡터 및 해당 SAD (MV_forw_fr 및 SAD_forw_fr), 순방향 탑 필드 움직임 벡터 및 해당 SAD (MV_forw_tf 및 SAD_forw_tf), 순방향 바텀 필드 움직임 벡터 및 해당 SAD (MV_forw_bf 및 SAD_forw_bf)를 출력한다. 역방향 프레임 ME/MC부(122), 역방향 탑필드 ME/MC부(124), 역방향 바텀 필드 ME/MC부(126)는 입력되는 현재 프레임(current frame) 및 다음 프레임(next frame)을 통해 역방향 프레임 움직임 벡터 및 해당 SAD(MV_back_fr 및 SAD_back_fr), 역방향 탑 필드 움직임 벡터 및 해당 SAD(MV_back_tf 및 SAD_back_tf), 역방향 바텀 필드 움직임 벡터 및 해당 SAD (MV_back_bf 및 SAD_back_bf)를 출력한다. TM5에서는 양방향 움직임 추정은 별도로하지 않는다. 대신에 양방향 프레임 MC부(132) 및 양방향 탑필드 MC부(134), 양방향 바텀 필드 MC(136)는 순방향과 역방향의 프레임 및 필드의 움직임 벡터(MV)를 통해 양방향 움직임 보상을 수행하여 해당되는 SAD값들 즉, 양방향 프레임 SAD (SAD_intp_fr) 및 양방향 탑 필드 SAD (SAD_intp_tf) 및 양방향 바텀 필드 SAD (SAD_intp_bf)를 구한다. 최종적으로 MC 모드 결정부(138)는 양방향 프레임 SAD (SAD_intp_fr) 및 양방향 탑 필드 SAD (SAD_intp_tf) 및 양방향 바텀 필드 SAD (SAD_intp_bf), 순방향 프레임 SAD (MV_forw_fr 및 SAD_forw_fr), 순방향 바텀 필드 SAD (MV_forw_bf 및 SAD_forw_bf), 역방향 탑 필드 SAD(MV_back_tf 및 SAD_back_tf)들을 서로 비교하여 최종적인 MC모드를 결정한다. 즉, 최종적인 MC모드는 다음과 같은 규칙(rule)에 의해 결정된다.
if (SAD_intp_fr < SAD_intp_fld && SAD_intp_fr < SAD_forw_fr && SAD_intp_fr < SAD_forw_fld && SAD_intp_fr < SAD_back_fr && SAD_intp_fr < SAD_back_fld){
// interpolative frame MC mode
}
else if (SAD_intp_fld < SAD_forw_fr && SAD_intp_fld < SAD_forw_fld && SAD_intp_fld < SAD_back_fr && SAD_intp_fld < SAD_back_fld) {
// interpolative field MC mode
}
else if (SAD_forw_fr < SAD_forw_fld && SAD_forw_fr < SAD_back_fr&&SAD_forw_fr < SAD_back_fld){
// forward frame MC mode
}
else if (SAD_forw_fld < SAD_back_fr && SAD_forw_fld < SAD_back_fld){
// forward field MC mode
}
else if (SAD_back_fr < SAD_back_fld){
// backward frame MC mode
}
else{
// backward field MC mode
}
그러나 도 1과 같은 종래의 MC 모드 결정 방법은 양방향 움직임 보상을 위해 다시 프레임 메모리(112)로부터 현재 프레임(current frame), 이전 프레임(previous frame), 다음 프레임(next frame)을 읽어 반화소 단위의 움직임 보상을 수행해야 한다. 이것은 각 방향 ME/MC부들(114, 116, 118, 122, 124, 126)에서의 메모리 대역폭이 증가할 뿐 아니라 연산량의 증가를 초래하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 MPEG-2 인코더를 구현할 시 양방향움직임 보상을 수행하지 않고도 최종 움직임 보상 모드를 결정하는 움직임 보상 모드 예측 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 B-픽쳐인 현재 영상과 시간적으로 이전 및 다음 영상들간의 움직임 추정 및 보상을 통해 현재 영상을 부호화하는 영상 부호화 방법에 있어서,
(a) 이전 프레임 및 현재 프레임을 비교하여 순방향 프레임 및 순방향 필드의 SAD를 생성하는 과정;
(b) 현재 프레임 및 다음 프레임을 비교하여 역방향 프레임 및 역방향 필드의 SAD를 생성하는 과정;
(c) 상기 (a) 및 (b) 과정에서 생성된 순방향 프레임/필드 SAD 및 역 방향 프레임/필드 SAD를 참조하여 양 방향 움직임 보상 모드를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 B-픽쳐인 현재 영상과 시간적으로 이전 및 다음 영상들간의 움직임 추정 및 보상을 통해 현재 영상을 부호화하는 영상 부호화 장치에 있어서,
입력되는 이전 프레임과 현재 프레임을 비교하여 순방향 프레임/필드의 SAD를 예측하는 제1움직임 추정 및 보상부;
입력되는 현재 프레임과 다음 프레임을 비교하여 역방향 프레임/필드의 SAD를 예측하는 제2움직임 추정 및 보상부;
상기 제1,제2움직임 추정 및 보상부에서 예측된 순방향 프레임/필드의 SAD및 역방향 프레임/필드의 SAD간의 차이값 정보를 이용하여 양방향 움직임 보상 모드와 순방향/역방향 움직임 보상 모드를 선택하는 움직임 보상 모드 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 동영상 부호화 장치중에서 움직임 모드 결정을 설명하기 위해 프레임 메모리와 움직임 추정부만을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 동영상 부호화 시스템을 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2의 ME/MC부의 상세도이다.
도 4는 순방향 MAD와 역방향 MAD의 차이값에 대한 히스토그램이다.
도 5는 본 발명에 따라 도 4와 같은 특성을 이용한 움직임 보상 결정부의 상세도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 동영상 부호화 시스템을 도시한 블록도이다.
먼저, 입력되는 영상 데이터는 GOP(Group of Picture)단위로 구성된다. DCT부(220)는 영상 데이터의 공간 중복성을 얻기 위해 8×8 블록 단위로 DCT(Discrete Cosine Transform)를 수행한다. 양자화부(Q:230)는 DCT부(220)에서 DCT된 영상 데이터를 양자화한다. 역양자화부(250)는 양자화부(230)에서 양자화된 영상 데이터를 역양자화한다. IDCT부(260)는 역양자화부(250)에서 역양자화된 영상 데이터를 역 DCT한다. 프레임 메모리부(FM:270)는 IDCT부(260)에서 역DCT된 영상 데이터를 프레임 단위로 저장한다. ME부(280)는 입력되는 현재 프레임의 영상 데이터와 프레임 메모리부(270)에 저장된 이전 프레임의 영상 데이터를 이용하여 매크로 블록당 움직임 벡터(MV)와 SAD(sum of absolute difference)를 추정한다. VLC(Variable Length Coding)(240)부는 ME부(280)에서 추정된 움직임벡터(MV)에 따라 양자화된 영상 데이터의 통계적 중복성을 제거한다.
도 3은 도 2의 ME부(280)의 상세도이다.
순방향 프레임 ME/MC부(320), 순방향 탑필드 ME/MC부(330), 순방향 바텀 필드 ME/MC부(340)는 프레임 메모리(310)로부터 입력되는 이전 프레임(previous frame) 및 현재 프레임(current frame)을 통해 순방향 프레임의 SAD(SAD_forw_fr), 순방향 탑 필드의 SAD(SAD_forw_tf), 순방향 바텀 필드의 SAD(SAD_forw_bf)를 출력한다.
그리고 역방향 프레임 ME/MC부(350), 역방향 탑필드 ME/MC부(360), 역방향 바텀 필드 ME/MC부(370)는 메모리(310)로부터 입력되는 현재 프레임(current frame) 및 다음 프레임(next frame)을 통해 역방향 프레임의 SAD(SAD_back_fr), 역방향 탑 필드의 SAD(SAD_back_tf), 역방향 바텀 필드의 SAD(SAD_back_bf)를 출력한다. 이 때 각 ME/MC부들(320, 330, 340, 350, 360, 370)에서 출력되는 SAD들은 매크로 블록 단위에서 MAD (Mean of Absolute Difference)로 나타낼 수 있다. 즉, MAD 는 프레임의 16×16 매크로 블록을 기준으로 SAD/265과 동일하다.
MC 모드 결정부(380)는 순방향 프레임 ME/MC부(320), 순방향 탑필드 ME/MC부(330), 순방향 바텀 필드 ME/MC부(340), 역방향 프레임 ME/MC부(350), 역방향 탑필드 ME/MC부(360), 역방향 바텀 필드 ME/MC부(370)들에서 출력되는 SAD/256에 해당하는 MAD 정보들을 이용하여 최종 MC 모드를 결정한다.
도 4는 순방향 MAD와 역방향 MAD의 차이값에 대한 히스토그램이다.
먼저, MPEG2 TM5로 여러 테스트 영상들을 5Mbps로 압축할 때, 다음의 값들을 조사하였다.
1. 양방향 프레임(interpolative frame) MC 모드로 선택된 매크로 블럭(MB)들에서,
1) |MAD_forw_fr - MAD_back_fr|을 intp fr - fr_MAD_diff로 정의한다.
2) |MAD_forw_fld - MAD_back_fld|을 intp fr - fl_MAD_diff로 정의한다.
2. 양방향 필드(interpolative field) MC 모드로 선택된 매크로 블럭(MB)들에 대해,
1) |MAD_forw_fr - MAD_back_fr|을 intp fl - fr_MAD_diff라고 정의하자.
2) |MAD_forw_fld - MAD_back_fld|은 intp fl - fl_MAD_diff라고 정의하자.
3. 양방향(interpolative) MC 모드를 갖지 않는 매크로블럭(MB)들에 대해,
1) |MAD_forw_fr - MAD_back_fr|을 non_intp - fr_MAD_diff라고 정의하자.
2) |MAD_forw_fld - MAD_back_fld|을 non_intp - fl_MAD_diff라고 정의하자.
여기서 순방향 필드 MAD(MAD_forw_fld)는 순방향 탑필드 MAD(MAD_forw_tf) 와 순방향 바텀 필드 MAD(MAD_forw_bf)의 평균값이다. 다른 필드 MAD도 마찬가지로 얻어진다. 따라서 도 4는 상기 6가지 경우의 히스토그램을 도시한 것이다. 여기서 양방향(interpolative) MC 모드로 결정된 매크로블럭(MB)들에서는 순방향 MAD와 역방향 MAD의 차가 매우 작은 반면, 양방향(interpolative) MC모드가 아닌 매크로블럭(MB)들에서는 상대적으로 순방향 MAD와 역방향 MAD의 차이가 큰 경우가 빈번함을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 도 4와 같이 나타낼 수 있는 실험 결과에 근거한다.
도 5는 본 발명에 따라 도 4와 같은 특성을 이용한 움직임 보상 결정부의 상세도이다.
먼저, 520 과정에서 순방향 프레임의 MAD(MAD_forw_fr) 및 역 방향 프레임의 MAD(MAD_back_fr) 간의 차이 절대값이 문턱값(T)보다 적고, 그리고 순방향 필드의 MAD(MAD_forw_fld) 및 역 방향 필드의 MAD(MAD_back_fl)간의 차이 절대값이 문턱값(T)보다 적고, 그리고 (순방향 프레임의 MAD+역방향 프레임의 MAD)가 (순방향 필드의 MAD+역방향 필드의 MAD+옵셋)보다 적으면 양방향 프레임의 움직임 보상 모드(Interpolative frame MC 모드)로 결정된다(522 과정). 여기서 옵셋은 0보다 크거나 같은 수로서, 프레임 MC에 더 비중을 두기 위해 사용되며, 사용자가 적당하게 정할 수 있다.
그렇지 않고 530 과정에서 순방향 프레임의 MAD(MAD_forw_fr) 및 역 방향 프레임의 MAD(MAD_back_fr) 간의 차이 절대값이 문턱값(T)보다 적고, 그리고 순방향 필드의 MAD(MAD_forw_fld) 및 역 방향 필드의 MAD(MAD_back_fl)간의 차이 절대값이 문턱값(T)보다 적고, (순방향 프레임의 MAD+역방향 프레임의 MAD)가 (순방향 필드의 MAD+역방향 필드의 MAD+옵셋)보다 같거나 크면 양방향 필드의 움직임 보상 모드로 결정된다(532 과정).
그렇지 않고 540 과정에서 순방향 프레임의 MAD(MAD_forw_fr)가 순방향 필드의 MAD(MAD_forw_fld) 보다 적고, 그리고 순방향 프레임의 MAD(MAD_forw_fr)가 역방향 프레임의 MAD(MAD_back_fr)보다 적고, 그리고 순방향 프레임의 MAD(MAD_forw_fr)가 역 방향 필드의 MAD(MAD_back_fld)보다 적으면 순방향 프레임의 움직임 보상 모드(forward frame MC 모드)로 결정된다(542 과정).
그렇지 않고 550 과정에서 순방향 필드의 MAD(MAD_forw_fld)가 역방향 프레임의 MAD(MAD_back_fr) 보다 적고, 그리고 순방향 필드의 MAD(MAD_forw_fld)가 역방향 필드의 MAD(MAD_back_fld)보다 적으면 순방향 필드의 움직임 보상 모드(forward field MC 모드)로 결정된다(552 과정).
그렇지 않고 560 과정에서 역방향 프레임의 MAD(MAD_back_fr)가 역방향 필드의 MAD(MAD_back_fld)보다 적으면 역방향 프레임의 움직임 보상 모드(backward frame MC 모드)로 결정되고(562 과정), 그렇지 않으면 역방향 필드의 움직임 보상 모드(backward field MC 모드)로 결정된다(564 과정).
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 플래쉬 메모리, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, MPEG 2 인코더를 구현할 시 움직임 추정 모드부에서 양방향 움직임 보상을 수행하지 않고도 최종 움직임 보상 모드를 결정함으로써 MPEG 2 인코더의 하드웨어 구현시 B-픽쳐에서의 메모리의 대역폭 및 연산량을 줄일 수 있다.

Claims (5)

  1. B-픽쳐인 현재 영상과 시간적으로 이전 및 다음 영상들간의 움직임 추정 및 보상을 통해 현재 영상을 부호화하는 영상 부호화 방법에 있어서,
    (a) 이전 프레임 및 현재 프레임을 비교하여 순방향 프레임 및 순방향 필드의 SAD를 생성하는 과정;
    (b) 현재 프레임 및 다음 프레임을 비교하여 역방향 프레임 및 역방향 필드의 SAD를 생성하는 과정;
    (c) 상기 (a) 및 (b) 과정에서 생성된 순방향 프레임/필드 SAD 및 역 방향 프레임/필드 SAD를 참조하여 양 방향 움직임 보상 모드를 결정하는 과정을 포함하는 움직임 보상 모드 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (c) 과정에서 순방향 프레임/필드 SAD 및 역 방향 프레임/필드 SAD간의 차이가 문턱값보다 적으면 양방향 움직임 보상 모드로 결정하고, 그렇지 않으면 순 방향 움직임 보상 모드나 역 방향 움직임 보상 모드로 결정하는 것임을 특징으로 하는 움직임 보상 모드 예측 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (c) 과정은
    (c-1) 순방향 프레임의 SAD 및 역 방향 프레임의 SAD간의 차이가 문턱값보다 적고, 그리고 순방향 필드의 SAD 및 역 방향 필드의 SAD간의 차이가 문턱값보다 적고, 그리고 (순방향 프레임의 MAD+역방향 프레임의 MAD)가 (순방향 필드의 MAD+역방향 필드의 MAD+옵셋)보다 적으면 양방향 프레임의 움직임 보상 모드로 결정되고,
    (c-2) 순방향 프레임의 SAD 및 역 방향 프레임의 SAD간의 차이가 문턱값보다 적고, 그리고 순방향 필드의 SAD 및 역 방향 필드의 SAD간의 차이가 문턱값보다 적고, 그리고 (순방향 프레임의 MAD+역방향 프레임의 MAD)가 (순방향 필드의 MAD+역방향 필드의 MAD+옵셋)보다 같거나 크면 양방향 필드의 움직임 보상 모드로 결정되는 것임을 특징으로 하는 움직임 보상 모드 예측 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (c) 과정은
    (c-3) 순방향 프레임의 SAD가 순방향 필드의 SAD 보다 적고, 그리고 순방향 프레임의 SAD가 방향 프레임의 SAD보다 적고, 그리고 순방향 프레임의 SAD가 역 방향 필드의 SAD보다 적으면 순방향 프레임의 움직임 보상 모드로 결정되고,
    (c-4) 순방향 필드의 SAD가 역방향 프레임의 SAD 보다 적고, 순방향 필드의 SAD가 역방향 필드의 SAD보다 적으면 순방향 필드의 움직임 보상 모드로 결정되고,
    (c-5) 역방향 프레임의 SAD가 역방향 필드의 SAD보다 적으면 역방향 프레임의 움직임 보상 모드로 결정되고, 그렇지 않으면 역방향 필드의 움직임 보상 모드로 결정되는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 움직임 보상 모드 예측 방법.
  5. B-픽쳐인 현재 영상과 시간적으로 이전 및 다음 영상들간의 움직임 추정 및 보상을 통해 현재 영상을 부호화하는 영상 부호화 장치에 있어서,
    입력되는 이전 프레임과 현재 프레임을 비교하여 순방향 프레임/필드의 SAD를 예측하는 제1움직임 추정 및 보상부;
    입력되는 현재 프레임과 다음 프레임을 비교하여 역방향 프레임/필드의 SAD를 예측하는 제2움직임 추정 및 보상부;
    상기 제1,제2움직임 추정 및 보상부에서 예측된 순방향 프레임/필드의 SAD 및 역방향 프레임/필드의 SAD간의 차이값 정보를 이용하여 양방향 움직임 보상 모드와 순방향/역방향 움직임 보상 모드를 선택하는 움직임 보상 모드 결정부를 포함하는 움직임 보상 모드 예측 방법.
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KR1020030000374A KR20040062840A (ko) 2003-01-03 2003-01-03 Ｂ-픽쳐 부호화를 위한 움직임 보상 모드 예측 방법 및 그장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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